Системы электроснабжения тяговых и не тяговых потребителей является сложнейшим техническим комплексом, включающим в себя большое количество различных элементов и линий связи между ними. Особенностью этой системы является быстротечность протекающих в ней электромагнитных и электромеханических процессов. В ряде случаев оперативный персонал не успевает вмешаться и предотвратить развитие неблагоприятных последствий отказов и неисправностей, возникающих при развитии аварийной ситуации в системе электроснабжения.
Для оптимизации работы системы ЭСЖТ и предотвращения негативных последствий аварийных ситуаций создается автоматизированная система управления электроснабжением железнодорожного транспорта (АСУЭ ЖТ). Частью этой системы является релейная защита, выполняющая функции автоматики управления системой в аварийных режимах ее работы.
Таким образом, релейная защита служит для локализации повреждений, предотвращения или сокращения ущерба при внезапном возникновении повреждений или ненормальных режимов работы устройств осуществляющих выработку электроэнергии, её передачу, преобразование, распределение и использование. В результате работы релейной защиты обеспечивается устойчивая и надежная работа систем электроснабжения, а также повышается ее живучесть.
Релейная защита является обязательной частью всех электроэнергетических установок, объектов и систем с напряжением 1кВ и выше.
1. Основные понятия о релейной защите
В системах электроснабжения иногда возникают короткие замыкания (КЗ), перенапряжения и другие не нормальные режимы работы.
Короткое замыкание– это не предусмотренное схемой соединение между собой каких-либо частей электроустановок.
КЗ может быть нескольких видов:
- «металлическое» КЗ («глухое»), при котором сопротивление между замкнувшимися частями электроустановки пренебрежимо мало;
- КЗ через переходное сопротивление в месте повреждения изоляции.
В результате КЗ токи в ветвях электроустановок, примыкающих к месту замыкания, резко возрастают и превышают максимально допустимый ток продолжительного режима.
В установках переменного тока кроме того может быть междуфазное КЗ, а также замыкание между фазой и землей (замыкание на землю ЗЗ).
В трансформаторах и электрических машинах возможны межвитковые замыкания в обмотках.
В электродвигателях возможно замыкание между разнополярными щетками через дугу на поверхности коллектора (круговой огонь).
КЗ возникают вследствие дефектов, старения и загрязнения изоляторов, обрыва и схлестывания проводов, ошибочных переключений и т.д. Электрическая дуга в месте замыкания вызывает пережоги и оплавления устройств электроснабжения. Разрушения оказываются тем больше, чем больше токи и время КЗ.
При перегрузке или перенапряжении по неповрежденному участку системы протекают токи, превышающие длительно допустимое значение. В результате этого токоведущие части перегреваются, что может вызвать их разрушение.
Для уменьшения ущерба поврежденный участок системы необходимо отключить как можно быстрее. За доли секунды необходимо выявить аварийный участок системы и произвести отключение как можно меньшей ее части. При этом должно быть обеспечено нормальное электроснабжение как можно большей части системы.
Отключение поврежденных участков системы осуществляется коммутационными аппаратами (КА). Такими аппаратами являются высоковольтные выключатели с электромагнитом отключения ЭО (YAT).
Автоматическое устройство, служащее для выявления КЗ и ненормальных режимов работы и формирующее управляющие воздействия на высоковольтные выключатели называется релейной защитой.
Релейная защита выполняется с помощью реле.
Реле– это автоматически действующее устройство, предназначенное для произведения скачкообразных изменений в управляющих системах при заданном значении воздействующей на него величины.
Воздействующей называется величина, на которую должно реагировать реле (ток, напряжение, температура, газовые пузыри и т.д.).
Структурная схема двухканальной релейной защиты по току и напряжению представлена на рис. 1.
На вход РЗ поступают сигналы от трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения ТV. Измерительные органы ИО1 и ИО2 анализируют информацию о входных сигналах и при определенных условиях формируют дискретный сигнал, поступающий на вход логической части ЛЧ. В логической части выходные дискретные сигналы от всех измерительных органов анализируются по определенной программе. Тут же формируется выдержка времени защиты. При выполнении заданных условий на выходе ЛЧ появляется дискретный сигнал, поступающий на вход выходного органа ВО. В выходном органе сигнал усиливается и поступает на катушку электромагнита отключения ЭО выключателя Q. Информацию о срабатывании релейной защиты выдает блок сигнализации БС.
Релейная защита, контролирующая работу только одного объекта и отключающая при аварийных режимах выключатель только этого объекта, называется индивидуальной.
Для улучшения свойств релейной защиты таких, как чувствительность, селективность, быстродействие применяется продольная и поперечная связь коммутационных аппаратов (рис. 2). Продольная связь объединяет защиты КА1 и КА2 на входе и выходе одного объекта (линии). Если защиты КА1 и КА2 разных объектов присоединяются к их общим шинам, то такая связь называется поперечной.
Замена релейно-контактных элементов РЗ на полупроводниковую электронику позволяет выполнить релейную защиту совместно с другими устройствами автоматики в виде единого комплекса.
Рис. 1. ТV – трансформатор напряжения; ТФ – трансформатор тока; Q – выключатель; ИО1, ИО2 – измерительные органы; ИС1, ИС2 – измерительные схемы; СС1, СС2 – схемы сравнения; ЛЧ – логическая часть; ВО – выходной орган; БС – блок сигнализации; РЗ - релейная защита; ЭО – электромагнит отключения; КА – коммутационный аппарат.
Рис. 2. а) продольная связь релейных защит; б) поперечная связь релейных защит
Применение микропроцессорной техники открывает перспективы дальнейшего совершенствования релейной защиты и передачу ее функций специальным управляющим вычислительным машинам.
2. Основные виды релейной защиты
Токовые защиты:для токовых защит воздействующей величиной является ток, проходящий по токоведущим частям электрической установки на участке включения защиты. Защита срабатывает, если контролируемый ток превысит заранее установленное значение, называемое уставкой.
Наиболее простой токовой защитой является плавкая вставка. Плавкие вставки обладают рядом недостатков, не позволяющих использовать их в современных системах противоаварийной автоматики. Такими недостатками являются нестабильность характеристик плавких вставок, а также невозможность их повторного использования после срабатывания.
Более совершенным устройством токовой защиты является токовое реле. Ток срабатывания реле (уставку) можно регулировать в некоторых пределах.
В системах постоянного и однофазного переменного тока защита контролирует токи цепей (фаз). В системах трехфазного тока защита может контролировать также не симметрию токов в фазах.
Защита, сравнивающая значения или фазы токов в разных концах объекта или в параллельных ветвях, присоединенных к общим шинам, называется дифференциальной токовой защитой.
При сравнении токов в конце одной линии дифференциальная защита называется продольной. При сравнении токов в параллельных линиях, присоединенных к общей шине, дифференциальная защита называется поперечной.
Основными достоинствами дифференциальной защиты является ее абсолютная селективность и быстродействие.
Защиты напряжения: для защит напряжения (вольтметровых, потенциальных) воздействующий величиной является напряжение. В качестве измерительного органа в них используются реле напряжения.
Дистанционные защиты: в качестве измерительного органа этих защит применяется реле сопротивления. На такое реле подается ток от трансформатора тока и напряжение от трансформатора напряжения. На основе полученных данных определяется сопротивление Zp = (Up / Ip), которое сравнивается с заданной величиной Zcp. При условии Zp ≤ Zcp защита срабатывает.
Дистанционная защита в отличие от токовой, реагирующей на один признак – ток, реагирует на три признака – ток, напряжение и фазовый угол между ними. На практике такой тип защиты применяется в линиях электропередач напряжением 35 кВ и выше, а также в контактных сетях переменного тока.
Импульсные защиты: в качестве измерительного органа используются импульсные реле. Воздействующей величиной является скачок или скорость изменения тока, или отношение скорости изменения тока к скорости изменения напряжения. Эти признаки косвенно свидетельствуют о КЗ, поскольку имеют место во время его возникновения.
Данный тип защиты применяется в тяговых сетях постоянного тока.
Дополнительно в защите сетей постоянного тока применяются реле, реагирующие на содержание высших гармоник в кривой тока или напряжения. Наличие высших гармоник токов и напряжений также является признаком возникновения КЗ.
Данный тип защиты используется в качестве дополнительной и повышает способность защиты отличать КЗ от нормальной работы тяговой сети.
Высокочастотные защиты: осуществляют сравнение значений, фазы тока или направления мощности в концах защищаемых участков. Передача информации с одного конца защищаемой линии на другой осуществляется токами высокой частоты, проходящими по защищенной линии.
Высокочастотные защиты применяются в линиях электропередач напряжением 110 кВ и выше.
Телеблокировка (устройство телеотключения): является защитой с продольной связью. При срабатывании выключателя Q1 на одном конце линии по каналам телемеханики передается сигнал на отключения выключателя Q2 на другом конце линии.
Газовая защита: содержит измерительные органы не электрических величин и реагирует на интенсивность образования газов в трансформаторном масле.
Тепловая защита: содержит измерительные органы не электрических величин и реагирует на температуру и интенсивность нагрева полупроводниковых приборов.
3. Основные требования, предъявляемые к защите
Защиты должны удовлетворять требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и другим нормативным документам таким, как Правила устройства тягового электроснабжения железных дорог РФ и Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснабжения. Кроме того, существует ряд других документов, регламентирующих требования к релейной защите общепромышленного назначения.
Основные требования, предъявляемые к релейной защите, связаны с ее функциями и свойствами.
Функциями релейной защиты являются:
- срабатывание (выдача команды на отключение) при КЗ в защищаемой зоне на контролируемом объекте;
- несрабатывание при отсутствии КЗ в защищаемой зоне;
- несрабатывание при КЗ за пределами зоны защиты.
Если защита выполняет указанные функции, то ее действия называются верными.
В ряде случаев защита может не выполнять свои функции и действовать не правильно. К неправильным действиям относятся отказ срабатывания, ложное срабатывание и излишнее срабатывание. В этом случае считается, то произошел отказ релейной защиты.
Для обеспечения верного срабатывания защита должна обладать рядом свойств таких, как селективность, быстродействие, устойчивость, чувствительность и надежность функционирования.
Селективность (избирательность) защиты – это ее способность с заданным быстродействием отключать с помощью выключателей только поврежденные участки или элементы системы.
Короткое замыкание внутри защищаемой зоны называется внутренним, а за пределами этой зоны – внешним. Если защита реагирует только на внутренние повреждения, то она обладает абсолютной селективностью. Пример – продольная дифференциальная защита.
В ряде случаев защита должна реагировать не только на внутренние, но и на внешние КЗ. Такая защита называется защитой с относительной селективностью. Относительная селективность обеспечивается выдержкой времени срабатывания защиты при внешних КЗ.
Селективные защиты характеризуются защитоспособностью и быстродействием.
Защитоспособностью называется способность защищать внутренний участок при всех видах КЗ
Если защита не реагирует на КЗ на некоторых участках защищаемой системы, то такие участки называются мертвой зоной. На практике мертвые зоны перекрываются резервными защитами.
Быстродействие защиты определяется временем, необходимым для отключения участка с КЗ.
Время отключение должно быть как можно меньшим.
Время отключения определяет:
- устойчивость параллельной работы генераторов электростанций;
- степень разрушения изоляции, токоведущих частей и других элементов электрических сетей и их оборудования;
- сокращение продолжительности времени снижения напряжения в сети, негативно влияющего на работу исправных устройств, обеспечивающих безопасность движения (погасание или неверное действие светофоров);
- повышение эффективности действия АПВ (автоматическое повторное включение) и АВР (автоматическое включение резерва).
Считается, что время отключений должно составлять:
- 0,1 … 0,12 с в сетях с напряжением 300 … 500 кВ;
- 0,15 … 0,3 с в сетях с напряжением 110 … 220 кВ;
- 1,5 … 3 с в сетях с напряжением 6 … 10 кВ.
В тяговых сетях постоянного тока пережоги не возникают, если время отключения не превышает 0,12 … 0.15 с.
Следует учитывать, что время отключения состоит из времени действия защиты и времени действия выключателя. Быстродействующие выключатели (БВ) конструктивно состоят из защиты и выключателя. БВ постоянного тока имеют время отключения до погасания дуги между контактами от 0,02 до 0,085 с. БВ переменного тока имеют время отключения от 0,06 до 0,12 с.
Защиты, время действия которых не превышают 0,1 с считаются быстродействующими.
Современные электронные защиты имеют время действия от 0,01 до 0,04 с. Их недостатком является чувствительность к помехам. Применение помехоустойчивых выходных органов РЗ с системой контроля позволяет избавиться от этого недостатка.
Устойчивость функционирования защиты характеризуется чувствительностью к внутренним КЗ и нечувствительностью (отстроенностью) к внешним КЗ и нормальным режимам работы.
Известно, что фазовый угол φн тока в нормальных условиях не превышает 400, а при КЗ фазовый угол φк достигает 65 … 750. Графически это можно изобразить на комплексной плоскости токов (рис. 3).
Рис. 3. Комплексная плоскость токов. Ia – активная составляющая тока; Iр – реактивная составляющая тока; Iн – нормальный ток; Iсзн – ток срабатывания в режиме перегрузки; Iк – ток КЗ; Iсзк – ток срабатывания в режиме КЗ; φн - фазовый угол тока в нормальных условиях; φк - фазовый угол тока в режиме КЗ.
На рис. 3 заштрихована область токов, при которых происходит срабатывание защиты.
Наименьший ток, соответствующий данному фазовому углу, при котором срабатывает защита, называется током срабатывания.
При φ = φн защита сработает если Iн ≥ Iсзн.
При φ = φк защита сработает, если Iк ≥ Iсзк.
Защита считается устойчивой, если выполняются условия Iн ≥ Iсзн и Iк ≥ Iсзк.
Чувствительностью называется способность защиты реагировать на повреждения в защищаемой зоне в самых неблагоприятных условиях.
Чем дальше место повреждения, тем меньше ток КЗ. Значение тока КЗ еще сильнее уменьшается, если напряжение в системе снижается до допустимого минимума, а КЗ происходит через переходное сопротивление изоляции или электрической дуги. При таком удаленном КЗ его ток Iкmin соизмерим с нормальным током и защита может не сработать.
Чувствительность защиты определяется коэффициентом чувствительности kч:
kч = Iкmin / Iсзк
Защита будет срабатывать если kч ≥ 1.
Для обеспечения надежного срабатывания защиты величина kч нормируется следующим образом:
- для резервных систем kч ≥ 1,25;
- для основных систем защиты kч ≥ 1,5;
- для дифференциальных защит и токовых отсечек генераторов и трансформаторов kч ≥ 2.
Для отстройки защиты от срабатывание на КЗ на внешних по отношению к защите участков вводится коэффициент отстройки kотс. Его величина нормируется следующим образом:
- для токовых защит и защит напряжения kотс = 1,2 … 1,3;
- для дистанционных защит kотс = 1,1 … 1,15.
В общем случае, если уставку защиты обозначить как А, условие срабатывания примет вид:
Для защит, срабатывающих при возрастании контролируемой величины:
│Асз│ ≥ kотс │А* кmax│, при [φcз = φкmax],
где А* кmax - наибольшие значение контролируемой величины А при КЗ в начале смежного участка при угле φкmax;
Для защит, срабатывающих при уменьшении контролируемой величины:
│Асз│≤ kотс │А* кmin│, при [φcз = φкmin],
где А* кmin - наименьшее значение контролируемой величины А при КЗ в начале смежного участка при угле φкmin.
Для того, чтобы защита не срабатывала при нормальных режимах работы необходимо выполнить следующие условия6
Для защит, срабатывающих при возрастании контролируемой величины:
│Асз│ ≥ kз│Анmax│, при [φcз = φнmax],
где Анmax - наибольшие значение контролируемой величины А при нормальной работе и угле φнmax;
Для защит, срабатывающих при уменьшении контролируемой величины:
│Асз│ ≤ 1/kз│Анmin│, при [φcз = φнmin],
где Анmin - наименьшее значение контролируемой величины А при нормальной работе и угле φнmin;
В том и в другом случае коэффициент запаса kз = 1,15 … 1,25.
Если защита работает с выдержкой времени, то вводится коэффициент возврата kв. Он учитывает тот факт, что возврат защиты в исходное состояние осуществляется при значении контролируемой величины Авз отличающейся от ее значения при срабатывании. Значение коэффициента возврата указывается в паспорте реле.
kв = Авз / Асз.
Для защит, срабатывающих при возрастании контролируемой величины kв = 0,8 … 0,9.
Для защит, срабатывающих приуменьшении контролируемой величины kв = 1,1 … 1,25.
Надежность защиты - это ее способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в установленных технической документацией пределах при соблюдении правил технической эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки.
Релейная защита работает в двух основных режимах – в режиме дежурства и режиме тревоги.
В режиме дежурства защита работает при нормальной работе защищаемой ею зоны системы.
При появлении в защищаемой зоне КЗ и перенапряжений защита переходит в режим тревоги, т.е. срабатывает.
В каждом режиме работы действия защиты должны быть верными. Таким образом надежность защиты заключается в ее надежном срабатывании при возникновении условий срабатывания и в надежном несрабатывании при отсутствии условий срабатывания.
На РЗ постоянно воздействуют различные факторы, в том числе и случайные. Эти факторы могут вызвать неверное действие защиты. Для удобства анализа все факторы, действующие на РЗ, объединены в две группы.
Факторы первой группы – это отказы элементов конструкции релейной защиты. Эти факторы характеризуют элементную надежность РЗ.
Факторы второй группы – это внешние воздействия. К таким воздействиям относятся:
- помехи в цепях измерительных трансформаторов, первичных датчиков и источников питания;
- срабатывание разрядников на шинах и высоковольтных линиях при атмосферных и коммутационных перенапряжениях;
- броски тока при автоматическом повторном включении (АПВ) и автоматическом включении резерва (АВР);
- неверный выбор уставок.
Может быть еще целый ряд различных факторов, связанный с изменениями условий работы защищаемой системы.
Надежность защиты оценивается стандартными показателями, такими как вероятность безотказной работы, вероятность отказа, плотность вероятности отказов, интенсивность отказов и т.д.
Повышение надежности РЗ осуществляется организацией соответствующей системы эксплуатации, а также схемными методами, такими, как резервирование и дублирование.
В случае резервирования основная защита реагирует на нарушения работы внутри защищаемой зоны. Резервная защита должна срабатывать в случае, если основная защита неисправна. Для исключения ложного срабатывания резервной защиты при исправной основной защите быстродействие основной защиты должно быть больше.
Если один и тот же участок системы защищает два устройства, то такая защита называется дублированием.
Для защиты «мертвых зон» системы, а также для ускорения отключения ее отдельных участков используется дополнительная защита.
4. Эффективность функционирования защит
Система электроснабжения или ее отдельный объект могут быть защищены различными устройствами РЗ. Для сравнения различных защит необходимо оценить качество функционирования каждой из них.
Неверные действия защиты приводят к развитию аварийной ситуации и увеличению наносимого аварией ущерба.
Верные действия защиты также могут быть причиной ущерба. Например, при слишком большой временной задержке защиты ее срабатывание не защищает от пережогов проводов и выходу из строя других устройств системы электроснабжения.
Последствия, возникающие при верных и неверных действиях защиты, различны и зависят от сложности защищаемой системы и ее ответственности. Одно неверное действие защиты ответственной системы может нанести ущерб намного больший, чем несколько неверных действий защиты малоответственной системы.
С учетом различных особенностей защищаемых систем, для оценки качества их функционирования применяется обобщенный показатель Е:
Е = Р / П = (П – У) / П,
где Р – реальный показатель эффективности работы защищаемого объекта за рассматриваемый промежуток времени его работы (объем перевозок, отпуск электроэнергии, объем выпущенной продукции и т.п.); П – предельный показатель эффективности работы защищаемого объекта за рассматриваемый промежуток времени, при условии, что ущерба из-за действий защиты не возникает; У – суммарный ущерб из-за неверных действий защиты за рассматриваемый промежуток времени.
В ряде случаев величину У определить трудно. В этом случае осуществляют приближенную оценку качества функционирования защиты по приблизительному показателю Е1.
Предельный показатель эффективности работы объекта в этом случае оценивается числом повреждений nпов, которые защита должна отключить за данное время:
nпов = nпс + nос,
где nпс – число правильных срабатываний защиты; nос – число отказов срабатываний защиты.
Ущерб из-за неверных действий защиты оценивается величиной приведенного показателя неверных действий nу:
nу = nос + εпс·nупс + εис·nуис + εлс·nулс,
где nупс, nуис, nулс – число действий защиты, вызвавших появление ущерба при правильных срабатываниях, при излишних срабатываниях и при ложных срабатываниях; εпс, εис, εлс – коэффициенты значимости ущербов, возникших при правильных срабатываниях, при излишних срабатываниях и при ложных срабатываниях защиты.
С учетом данных величин приблизительный показатель Е1 определяется из выражения:
Е1 = (nпов – nу) / nпов.
Если не известно число действий защиты, сопровождающихся ущербом, то приблизительная оценка качества функционирования защиты оценивается показателем процента правильной работы защиты К, %:
К = nпс ·100 / (nпс + nос + nис + nлс),
где nис – число излишних срабатываний; nлс – число ложных срабатываний.
Показатель процента правильной работы в настоящее время является основным показателем оценки качества защиты. На практике для разных типов защит величина К = 67 … 98%.
Наиболее точная оценка качества действующих защит осуществляется по статистическим данным об их срабатывании. Для проектируемых защит приближенная оценка качества осуществляется по прогнозным расчетам.
5. Назначение, принцип действия и основные характеристики реле
В схемах релейной защиты в настоящее время применяются электромеханические реле, полупроводниковые реле и реле на микроэлектронной базе.
Наличие у реле ряда недостатков (большие размеры, большое потребление мощности, трудности с обеспечением надежной работы контактов) ведет к новым принципам их исполнения, что позволяет улучшить параметры и характеристики схем защит, а также применять бесконтактные схемы.
Кроме реле, реагирующих на электрические величины, применяются реле, реагирующие на неэлектрические величины (газовое реле, повышение температура трансформаторов). По этому, по виду воздействующих на них физических величин реле делятся на:
- электрические, реагирующие на электрические величины;
- механические, реагирующие на неэлектрические величины, такие как, скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости;
- тепловые, реагирующие на количество выделенного тепла или изменение температуры.
- реле, реагирующие на электрические величины делятся на реле, реагирующие на одну величину, реле, реагирующие на две величины и реле, реагирующие на три и более.
Электрические реле в свою очередь делятся на электромеханические, электромагнитные, индукционные, электродинамические, индукционно-динамические, магнитоэлектрические.
Основными требованиями, предъявляемые к реле являются:
- надежное замыкание и размыкание электрической цепи.
Данное требование относится к контактной системе реле. Контактная система должна обеспечивать мощность:
Sк=Uк·Iк,
где Uк – напряжение, приложенное к контактам реле; Iк - ток, протекающий через контакты реле.
- термическая стойкость.
Данное требование относится к обмотке реле. Обмотки реле должны обеспечивать мощность:
Sр=UрIр,
где Uр – рабочее напряжение, приложенное к обмотке реле; Iр – рабочий ток, протекающий через обмотку реле.
По конструктивному исполнению электромагнитные реле делятся на реле с втягивающимся якорем, реле с поворотным якорем и реле с поперечным движением якоря.
На рис. 1. Представлена схема реле с поворотным якорем.
Рис. 1. Реле с поворотным якорем. Неподвижные контакты разомкнуты. 1 –сердечник реле; 2 – обмотка; 3 – поворотный якорь; 4 – неподвижные контакты; 5 – подвижный контакт; 6 – возвратная пружина.
Проходящий по обмотке ток Iр создает магнитный поток Ф:
Ф = (Iр·wр)/Rм,
где wр – число витков обмотки реле; Rм - магнитное сопротивление.
Магнитный поток замыкается через сердечник электромагнита, воздушный зазор и якорь. Якорь намагничивается и притягивается к полюсам электромагнита, т.к. на него действует электромагнитная сила Fэ:
Fэ = kf·Ф2 = kf·(Iр2·wр2)/Rм2,
где kf – коэффициент пропорциональности, между магнитным потоком и электромагнитной силой, действующей на якорь реле.
Используя обозначение k = (kf ·wр2)/Rм2, получим:
Fэ = k· Iр 2.
Таким образом, электромагнитная сила, действующая на якорь реле, пропорциональна квадрату тока в его обмотке.
Электромагнитная сила создает на якоре электромагнитный момент Мэ:
Мэ = Fэ·lр = k· Iр 2·lр,
где lр – плечо силы Fэ.
Для срабатывания реле необходимо создать силу:
Fэ = Fэср=Fn+ Fт + Fm,
где Fn- сила пружины,; Fт- сила трения; Fm - массовая сила.
Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 5 замыкает неподвижные контакты реле 4.
Током срабатывания реле Iср называется наименьший ток, при котором реле срабатывает. При протекании тока Iср по обмотке реле, действующая на якорь электромагнитная сила превосходит силу сопротивления пружины, силы трения в подвеске якоря и его массовую силу.
Ток срабатывания реле определяется из выражения:
Iср = (Fэ·Rм2 )/(kf·wр2),
Ток срабатывания реле Iср можно регулировать ступенчато путем изменения количества витков обмотки реле или плавно, путем изменения жесткости возвратной пружины.
По мере перемещения якоря воздушный зазор уменьшается и уменьшается магнитное сопротивление. Электромагнитный момент увеличивается и превосходит силу противодействия возвратной пружины. Якорь удерживается в положении, при котором неподвижные контакты замкнуты (рис. 2).
Рис. 2. Реле с поворотным якорем. Неподвижные контакты замкнуты
Для возврата якоря и размыкания контактов 4 необходимо уменьшить ток в обмотке реле.
Током возврата реле Iвоз называется наибольший ток в обмотке реле, при котором якорь возвращается в начальное положение.
При уменьшении тока в обмотках реле происходит возврат притянутого к полюсам электромагнита якоря в исходное положение под действием пружины. Для возврата необходимо, чтобы момент возвратной пружины Мп был больше электромагнитного момента Мэвоз, необходимо выполнение условия Мп > Мэвоз,
где Мэвоз - электромагнитный момент, действующий на якорь при протекании в обмотке реле тока возврата Iвоз.
Коэффициентом возврата реле kвоз называется величина отношения тока возврата реле Iвоз к току срабатывания Iср:
kвоз = Iвоз / Iср.
Реле максимального действия (максимальное реле) называются реле, срабатывающие при возрастании тока. У таких реле ток срабатывания больше тока возврата (Iср > Iвоз) и коэффициент возврата меньше единицы (kвоз<1). Как правило, такие реле выполняются нормально разомкнутыми.
Реле минимального действия (минимальное реле) называются реле, срабатывающие при уменьшении тока.
Для срабатывания необходимо уменьшить ток до значения, при котором момент пружины превзойдет электромагнитный момент. У таких реле ток срабатывания меньше тока возврата (Iср < Iвоз) и коэффициент возврата больше единицы (kвоз >1). Как правило, такие реле выполняются нормально замкнутыми.
Рассмотренная нами схема реле с поворотным якорем является наиболее распространенной, поскольку позволяет создавать большую электромагнитную силу воздействия на якорь Fэ при малом потреблении тока. Примером такого реле служат реле РП-210и реле КДР-1. Основные характеристики РП-210:
- время срабатывания tср=0,01с;
- мощность срабатывания Рср =(5 … 8) Вт.
Основные характеристики КДР-1:
- время срабатывания tср = (0,01-0,02) с;
- мощность срабатывания Рср = 3Вт.
Время срабатывания реле является одной из его важнейших характеристик. При включении обмотки на напряжение ток в обмотке реле устанавливается не сразу (рис. 3). Он изменяется от нуля до установившегося значения Ipy.
Рис. 3. График изменения тока в обмотке реле: Iсp - ток срабатывания реле; tн- время начала движения якоря; Ipy - установившееся значение тока в обмотке реле; Up - напряжение, приложенное к обмотке реле; Rp - сопротивление обмотки реле.
Ток в обмотке реле изменяется по экспоненте и может быть определен из выражения:
Ip = Up / Rp·(1 – e-t/T),
где T = Lp/Rp- постоянная времени обмотки реле.
Движение якоря начиняется через время tн, когда ток достигнет величины тока срабатывания реле Iср . Перемещение якоря в конечное положение осуществляется через время tу после начала его движения. Время работы реле tр определяется из выражения: tр = tн+ tу.
Из рис.3 видно, что время tн зависит от скорости нарастания тока Iр. Оно определяется величиной постоянной времени реле Т и величиной тока срабатывания Iср. Как было установлено выше, величина Iср зависит от усилия возвратной пружины, силы трения и массы якоря реле.
Время хода якоря tу зависит от скорости его перемещения. Абсолютное значение времени tу У электромагнитных реле величина времени хода якоря составляет tу ≈ 0,001с. Для приближенных расчетов можно считать, что tр ≈ tн.
Для повышения быстродействия реле используется три способа:
1. Уменьшение постоянной времени реле Т. Это может быть выполнено за счет увеличения активного сопротивления обмотки реле Rp , а также за счет уменьшения индуктивного сопротивления обмотки реле Lp.
2. Уменьшение момента противодействия возвратной пружины Мп. Это может быть выполнено за счет уменьшения жесткости пружины, а также за счет уменьшения плеча приложения силы пружины к якорю.
3. Увеличение кратность тока К = Ipy /Iср. Для этого для изготовления сердечника реле применяются специальные материалы с улучшенной магнитной проводимостью.
Для задержки срабатывания реле применяются схемные методы (рис. 4). В обмотку реле в определенной последовательности (рис. 4 а), 4 б)) включаются активные сопротивления R, индуктивности L и конденсаторы C. Это ведет к изменению постоянной времени реле Т до необходимого значения.
Рис. 4. Схемы включения активного сопротивления R, индуктивности L и конденсатора C в обмотку реле.
Работа электромагнитного реле на переменном токе
При протекании по обмотке реле переменного тока, ток обмотки Ip, магнитный поток в сердечнике реле Ф и электромагнитная сила, действующая на его якорь Fэ , изменяются по синусоидальному закону (рис. 5). Величину тока в обмотке реле и электромагнитную силу, действующую на якорь реле можно определить из выражения.
Ip = Im·sin ωt; Fэ = k·(Im·sin ωt )2.
Если электромагнитная сила Fэ, действующая на якорь реле больше силы пружины Fп, то контакты реле замкнуты. Если Fэ меньше, чем Fп, то контакты реле размыкаются.
Рис. 5. Схема изменения соотношения сил Fэ и Fп. Для простоты анализа принято = const.
В результате изменения соотношения между силами Fэ и Fп якорь реле непрерывно вибрирует. Это вызывает вибрацию контактов и их подгорание, а также повышенный износ оси подвески якоря. При большом моменте инерции якоря он не успевает следовать за быстрыми изменениями знака результирующей силы. Если же момент инерции якоря недостаточен, то для устранения его вибрации применяют расщепление магнитного потока обмотки реле на две составляющие, сдвинутые по фазе.
Расщепление магнитного потока производится либо с помощью короткозамкнутого витка (рис. 6), либо обмотка реле выполняется двумя параллельными секциями витков с разным угловым сдвигом (рис. 7).
Рис. 6. Расщепление магнитного потока при помощи короткозамкнутого витка
Рис. 7. Расщепление магнитного потока при помощи двух секций витков
6. Разновидности электромагнитных реле
а) Реле тока - электромагнитные реле, включенные на ток сети (непосредственно или через трансформаторы тока).
Для уменьшения нагрузки на трансформатор тока реле тока должны иметь по возможности малое потребление мощности. Обмотки реле тока рассчитываются на длительное прохождение токов нагрузки и кратковременное прохождение токов КЗ. Коэффициент возврата у таких реле близок к единице (kвоз ≈ 1).
Примером реле тока служит РТ–40. Ток срабатывания регулируется плавно изменением натяжения пружины. Обмотка реле состоит из двух секций, что позволяет путём параллельного и последовательного включений изменять пределы регулирования тока срабатывания. При последовательном соединении число витков возрастает и увеличивается точность реле. Диапазон токов срабатывания уменьшается в 2 раза.
Обозначение реле РТ–40/0,2 – диапазон токов срабатывания – 0,05 ... 0,2 А; РТ–40/20 диапазон токов срабатывания 5 ... 20А.
В справочниках по реле обязательно указываются: пределы уставок, термическая стойкость, коэффициент возврата, потребляемая мощность.
б) Реле напряжения
По конструкции реле напряжения аналогичны реле тока, подключаются к трансформаторам напряжения.
В реле напряжения для снижения вибраций подвижной системы обмотка реле включена в сеть вторичного тока не непосредственно, а через выпрямитель.
в) Промежуточные реле
Применяются, когда необходимо одновременно замыкать несколько независимых цепей или когда требуется реле с мощными контактами для замыкания/размыкания цепей с большим током.
Промежуточные реле по способу включения подразделяются на реле параллельного и последовательного включения.
Параллельное включение (рис 8). Основные выходные реле: РП–23, РП–24.
Реле, обладающие большим быстродействием: РП–211, РП–212 – 0,01...0,02 с. Обычно время срабатывания промежуточных реле от 0,02 до 0,1 с.
Рис. 8. Параллельное включение промежуточных реле
Последовательное включение (рис 9). Используется, если выходной сигнал при срабатывании защиты слишком кратковременен для обеспечения отключения выключателей.
Рис. 9. Последовательное включение промежуточных реле
Параллельное включение с удерживающей последовательно включенной катушкой (рис. 10). РП–213, РП–214, РП–253, РП–255.
Рис. 10. Параллельное включение с удерживающей последовательно включенной катушкой.
В справочниках указываются номинальные величины напряжения, тока, время срабатывания, допустимый ток, контактная система реле.
Промежуточные реле в основном выполняются при помощи системы с поворотным якорем – достоинство этой системы в большой электромагнитной силе при малом потреблении мощности, удобна для изготовления много контактных реле.
г) Указательные реле
Ввиду кратковременности прохождения тока в обмотке указательного реле они выполняются так, что сигнальный флажок и контакты реле остаются в сработавшем состоянии до тех пор, пока их не возвратит на место обслуживающий персонал (рис. 11).
Рис. 11. Схема включения указательных реле
Типы указательных реле: РУ–21, СЭ–2, ЭС–41.
д) Реле времени
Реле времени (рис. 12) служат для искусственного замедления действия устройств релейной защиты. Основное требование – точность времени срабатывания. Погрешность во времени действия реле не должна превышать ± 0,25 с, а для высокоточных реле ±0,06 с.
Рис. 12. Схема включения реле времени
При появлении тока в обмотке якорь втягивается, освобождая рычаг с зубчатым сегментом. Под действием пружины рычаг приходит в движение, замедляемое устройством выдержки времени. Через определенное время подвижный контакт замкнет контакты реле. Для уменьшения размеров реле их катушки не рассчитаны на длительное прохождение тока. Поэтому реле, предназначенные для длительного включения под напряжение, выполняются с добавочным сопротивлением rд.
Типы реле времени: ЭВ–100, ЭВ–200. Широко используется и полупроводниковые реле времени серии ВЛ. Изготовляются реле времени с синхронным электродвигателем серии Е–52, ВС–10. Реле серий Е–512, Е–513 имеют двигатели постоянного тока.
Рис. 13. Принципиальная схема реле времени